一架飞(fēi)机在高空正常飞(fēi)行的时候(hòu),机翼看起来好(hǎo)像是一个整体。其实不(bú)然,机翼前缘(yuán)、后(hòu)缘都装有(yǒu)长短、宽度不同的翼片,有的(de)可向下偏转,有的(de)可向前伸出,有的可(kě)向后滑(huá)退,可谓(wèi)五花八门。由于这些(xiē)翼片是(shì)机翼的附属物,并且(qiě)可以偏(piān)折,正像我们穿(chuān)的衣服(fú)下襟随风摆动一样,因此科学(xué)家给这些(xiē)翼片起了一个十(shí)分形象的(de)名称———襟翼。平时飞机(jī)停在机场上或在(zài)高空飞行时,襟翼都收拢在机翼前缘或后缘(yuán)上(shàng),一旦飞机(jī)进入(rù)起飞或着陆阶段,它们的原形就(jiù)显露了出来。
飞(fēi)机为什么要装襟(jīn)翼呢(ne)?
1、襟翼的奥秘在于提(tí)高升力
机翼的作用就是产生(shēng)足够(gòu)的升(shēng)力使飞机能飞上天空。如果机翼是一个整体的话,那么在(zài)机(jī)翼面积(jī)、翼型、展弦比确定的(de)情况下,它的(de)最大升力也就(jiù)是确定不变(biàn)的了。如果飞(fēi)机的全部(bù)重量是50吨,机翼必(bì)须产(chǎn)生490千牛以上的升(shēng)力才能飞起来(lái)。我们(men)知(zhī)道,机翼面积越大,升力越大(dà);速度越大,升力也越(yuè)大。换句话说就是:在升力一(yī)定的情况下,机(jī)翼面积越大,起飞速(sù)度可以(yǐ)越小;起飞速(sù)度越大,机翼面积可(kě)以越小。因此,为了把这(zhè)50吨的飞机弄(nòng)上天,我们可以采取这样(yàng)两个办法:一(yī)是选用面积较小的机翼,通过加大起飞速度使升力超过490千(qiān)牛;二是(shì)使起飞速度保持在较低(dī)的(de)值上,通过采用大面积机翼以产生490千(qiān)牛(niú)以上的升力。
这两(liǎng)个办(bàn)法行(háng)不行呢?第一个办法机(jī)翼面积较小(xiǎo),飞(fēi)机的(de)结构重量就(jiù)较轻,这是优点,但起飞(fēi)速(sù)度(dù)大是很(hěn)不利(lì)的,一方(fāng)面要求机场跑道很(hěn)长,这很不合算,对舰载飞机更是不(bú)利;另一方面(miàn),高滑跑(pǎo)速度对安全的威胁极大(dà)。第二个方法起飞速度(dù)低,有(yǒu)利于缩短滑跑(pǎo)距离(lí),但当飞机起飞后速度增加(jiā),大面积机翼便(biàn)成了(le)累赘(zhuì),不但重量大使载重(chóng)量大大减少,而且会使阻(zǔ)力剧增,飞机的(de)耗油(yóu)量因此显著增(zēng)加。这(zhè)种低(dī)速时升力小(xiǎo)、高速时阻力大的(de)问题称为飞机的高低速(sù)矛盾。怎样(yàng)解决(jué)这一难题呢?这(zhè)就要靠襟翼来实现。
襟翼的一个主要作用是(shì)协调这个(gè)矛盾,既不需要很大、很重的(de)机(jī)翼,也能在较低的起飞着陆速度下产生足够的升力,使载重(chóng)、速度、阻力和油(yóu)耗达到综合性的最佳化。用整体(tǐ)一块的方式设计机翼不能(néng)同时满足大载重量、低起飞和着陆速度(dù)、低阻力和低(dī)耗油率的要求。由于襟翼具体(tǐ)作用(yòng)是大大提高(gāo)飞机起飞和着陆等低速阶段的(de)升力,因而统称增升装置。
襟翼为什么能(néng)增加升力呢?在(zài)速度一定的(de)情况下,提高升力的办法主(zhǔ)要有4种:一是改变机(jī)翼剖面形状(zhuàng),增(zēng)加翼(yì)型(xíng)弯度(dù);二是增加机翼面(miàn)积;三是(shì)尽可能保持层流流动;四是在环绕(rào)机翼(yì)的气流中,增加一股喷气气流。襟翼就是通过改变(biàn)翼型弯度、增加机翼面(miàn)积、保持层流流动而(ér)增加升力的。
2、飞机襟翼样式众多
襟翼(yì)概念出(chū)现得(dé)很早(zǎo)。第一次世界(jiè)大战前,由于飞机速度提高,要求飞机在低(dī)速(sù)时也能产生足够的(de)升(shēng)力,于(yú)是有人开始了最简单(dān)的(de)后缘襟(jīn)翼(yì)的试验探索(suǒ)。
为什么飞机要装襟(jīn)翼(yì)?
简单襟(jīn)翼就是机翼后(hòu)缘的一部分(fèn)。它可以(yǐ)弯(wān)曲(qǔ),这(zhè)样就会改变机翼弯度(dù),提高升力。不久,又出现了(le)开裂式襟翼。当它放下时,一(yī)方面可使翼型变弯,一方面会在机翼后缘形成低压,两方面(miàn)的效果都是(shì)增加了升力。通常,开裂式襟翼可使(shǐ)升力系(xì)数提高(gāo)75%~85%。同时,开裂式襟翼还能增加阻力,对飞机安(ān)全、缓慢地着陆有利。
20世纪(jì)20年代,英(yīng)国著名设计师汉德莱·佩奇和德国空气动(dòng)力学家拉(lā)赫曼发明了开缝襟翼。它是一条或几条附着(zhe)在机翼后(hòu)缘(yuán)的可(kě)动(dòng)翼片,平时与(yǔ)机翼合为一(yī)体,飞机起飞或着陆时放下(xià)。襟翼片(piàn)能够增(zēng)加机翼的面积,改变机翼弯度,同时还会(huì)形成一(yī)条或几条缝隙。增加面积可以提(tí)高升力,形(xíng)成缝隙可使下表面的气流经缝隙流向上表(biǎo)面(miàn),使上表面(miàn)的气流速度提高,可较(jiào)大范围保持(chí)层(céng)流,也可使升力(lì)增加(jiā),并能减(jiǎn)少失速现象的(de)发生。开缝(féng)襟翼是襟翼中十分重要的一(yī)种(zhǒng)。它也可以装在飞机前(qián)缘上,通常(cháng)都是一条(tiáo)。目前(qián)大型飞机特别(bié)是客机都安装了双(shuāng)缝或三缝(féng)襟翼,可提高升力系(xì)数85%~95%,效果(guǒ)十分显(xiǎn)著。
还有两(liǎng)种襟翼(yì)也很常见,一(yī)种是富勒(lè)襟翼,一种(zhǒng)是(shì)克鲁格襟翼。
富勒襟翼是在机翼后缘安装的活动(dòng)翼面,平时紧贴在机翼下表(biǎo)面上。使用时,襟翼(yì)沿下翼(yì)面安装(zhuāng)的(de)滑轨后退,同时下偏(piān)。使用(yòng)富勒襟(jīn)翼可以增加翼剖面的弯度,同时(shí)能大大增加机翼面积,增升效果非常明显,升(shēng)力系数可(kě)提高85%~95%,个别大面积(jī)富勒(lè)襟翼(yì)的(de)升力系数可提高110%~140%。这种襟翼结(jié)构(gòu)较复杂(zá),多(duō)在大、中型飞机上(shàng)采(cǎi)用,可(kě)大(dà)大改善起降性(xìng)能。
克鲁格襟翼位于机(jī)翼前缘。它(tā)的外(wài)形相当于机(jī)翼前缘的(de)一部分。使用(yòng)时利(lì)用(yòng)液(yè)压作动筒将克鲁格襟翼(yì)向(xiàng)前(qián)下方伸出(chū),既改变了翼型,也增加了翼面积,增升(shēng)效果也比较好(hǎo)。
3、飞机(jī)襟翼在发展中
襟(jīn)翼的发展并(bìng)没有完结。上面介绍(shào)的襟翼装置发展比较成熟,还有一类襟翼概念提出的也(yě)很早,但直到现在仍(réng)不完善,这就(jiù)是喷(pēn)气襟翼。它(tā)的设计方案(àn)很多,基本思想都是通过从发动机或高压气瓶(píng)引出(chū)气体(tǐ),吸向机(jī)翼或襟翼表面,达到增加升(shēng)力、推迟(chí)分离、降低阻力、改(gǎi)善失速(sù)特性的(de)目的(de)。由于喷气(qì)襟翼十分复杂,目(mù)前只(zhī)有个别飞机(jī),如(rú)“鹞”式垂直起降飞机和F-4、米(mǐ)格-21轻型战斗(dòu)机使用了喷气(qì)襟翼。其(qí)试验工作仍在(zài)进行之中。
特殊襟翼(yì)
我们知道,襟翼的(de)种类有很多,除(chú)了常用(yòng)的简单襟翼(yì)、开裂襟翼、开缝襟翼和后退襟翼等均位于(yú)机翼后缘的后缘襟翼以外,还(hái)有一些(xiē)与(yǔ)普通后缘(yuán)襟翼构造有差别的(de)特殊(shū)襟翼,如(rú)位于机翼前缘(yuán)的前缘襟翼与克鲁格襟(jīn)翼(yì),以及可以在机翼上引入发动机的喷气流(liú),改变(biàn)空气(qì)在机翼上的流动状态的喷气襟翼。
前缘襟翼:后缘襟翼都(dōu)位于机翼的后缘,如果把它的位置移到机翼(yì)的前缘(yuán),就变成了前缘襟翼。前缘襟翼也可以看作是可偏(piān)转的前缘。在大迎角下,它向(xiàng)下偏转(zhuǎn),使前缘与来流之间的角度减小,气流沿上翼面的流(liú)动比较光(guāng)滑,避免发生(shēng)局(jú)部气流分离,同时也可(kě)增大翼型(xíng)的弯度。
前缘襟翼(yì)与后缘襟(jīn)翼配合使用可进一步提(tí)高增升效果(guǒ)。一般的后缘襟翼(yì)有一个缺点(diǎn),就是当它向(xiàng)下偏转时,虽然能够增(zēng)大上翼面气(qì)流的流速,从而增大升力系(xì)数(shù),但同时也使得机翼(yì)前缘(yuán)处气(qì)流的局部迎角增大,当飞机以大迎角飞行(háng)时(shí),容(róng)易导致机翼前(qián)缘上部(bù)发(fā)生局部(bù)的气流分离,使(shǐ)飞机的性能变坏。如果(guǒ)此时采用前缘襟翼,不但可以消除机翼前缘上部的局部(bù)气(qì)流分(fèn)离,改善后(hòu)缘襟翼(yì)的增升效(xiào)果(guǒ),而且其本(běn)身也具有增(zēng)升作用。
克鲁格襟翼:与(yǔ)前缘襟翼作用相(xiàng)同的还有一种克(kè)鲁格(Krueger)襟翼。它一般(bān)位于机翼前缘根部(bù),靠作动(dòng)筒收放。打(dǎ)开(kāi)时,伸向机翼下前方,既增大机翼面积(jī),又增大翼型弯度,具有较好的增升效(xiào)果,同时构造也比较(jiào)简单(dān)。
喷气襟翼:这是目前正在研究中(zhōng)的一种(zhǒng)增升装置。它的基本原理是:利用从涡(wō)轮喷气发动机引出的压(yā)缩空气或燃(rán)气流,通过机翼后缘的缝隙沿整个翼展向后下方以高速(sù)喷出,形(xíng)成一片喷气幕,从而起到襟(jīn)冀(jì)的(de)增升作用。这是超音速飞机的一种特殊襟翼,其名称来历就是将“喷气”和(hé)“襟翼(yì)”结合起来。
喷气襟翼一方面改变了(le)机(jī)翼周围的(de)流场,增加了(le)上下压(yā)力差;另(lìng)一方面,喷(pēn)气的反作用力在垂直方(fāng)向上(shàng)的分力也(yě)使机翼升力大(dà)大增加(jiā)。所以,这种装置的增升效果极(jí)好。根据试验表(biǎo)明,采用喷(pēn)气襟翼可以使升力系数增大到12.4左右,约为附面(miàn)层控制系统(tǒng)增升效果的2~3倍。虽(suī)然(rán)喷气(qì)襟(jīn)翼的增升效果很(hěn)好,但也有许多尚(shàng)待解(jiě)决的难题:发(fā)动(dòng)机的喷气(qì)量太大,喷流能量的损失大;形成的喷气幕对飞机的稳定性和操纵性(xìng)有不良影响;机翼构造复杂,重量急剧增加;发动机(jī)的燃气流会烧毁(huǐ)机场跑道等等。

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